（光学专业论文）ld泵浦nd：gdyvo4与nd：yvo4晶体激光特性的比较研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 l d 泵浦n d ：6 d y v 0 。与n d ：y v 0 。晶体激光特性的比较研究 中文摘要 l d 泵浦的全固态激光器( l a s e rd i o d ep u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r 或d p s l ) 是激 光技术领域的一个重要分支，与传统激光器相比在重量、体积、电光转换效率、 使用寿命和稳定性方面更具优越性。目前，l d 泵浦全固态激光器己实现了连续、 调q 脉冲和锁模脉冲等激光运转模式，广泛应用于材料加工、医疗、光学仪器和 基础研究等领域。 激光二极管( l d ) 泵浦的掺n d 离子激光器一直是激光研究领域的热点之一， 研究人员一直都在致力于发现新型的激光晶体，以不断完善现有的激光晶体和开 发新的激光发射波长。n d ：g d y v 0 4 晶体是一种在n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 的基础上， 由y ( g d ) 部分地代替n d ：g d v 0 4 ( n d ：y v 0 4 ) 中的g d ( 7 y ) 形成的晶体，它具有和 n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 相同的晶体结构，但也有着自身的一些特点。它的吸收截面 比n d ：g d v 0 4 略大，但不及n d ：y v 0 4 晶体。它的吸收系数比n d ：g d v 0 4 要高，在 吸收峰8 0 8 5 n m 处的半高宽比n d ：g d v 0 4 宽，荧光发射峰都在1 0 6 4 r i m 附近， n d ：g d y v 0 4 在1 0 6 4 r i m 附近的荧光半高宽比n d ：g d v 0 4 宽一倍，所以n d ：g d y v 0 4 更有利于l d 泵浦。但是n d ：g d y v o 。的导热系数要比n d ：y v o 。大，具有相对较小 的发射截面和相对较大的上能级寿命，所以它在脉冲激光方面显示出比n d ：y v o 。 更好的效果。因此进行n d ：g d y v 0 4 晶体与n d ：y v 0 4 晶体激光特性的比较研究， 对进一步了解该类晶体的特性，开发新的晶体具有一定指导意义。 本论文通过对n d ：y v 0 4 晶体和n d ：g d y v 0 4 晶体基频激光输出、腔内倍频性 能以及晶体热效应的比较研究，获得了详尽的实验数据，并从理论上对激光输出 和热效应的影响给出了较完整的理论解释。其主要内容可概括如下： 1 、首先综述了全固态激光器的历史、现状、发展前景以及全固态激光器的研 究现状。 2 、对全固态激光器的工作原理，激光晶体主要激光特性的表征，以及谐振腔 设计等内容进行了介绍。着重从速率方程出发，对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v o 。晶体 的能级结构给出了较为完整的分析。 山东师范大学硕士学位论文 3 、对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的基频激光特性进行了实验比较，并从理 论上给出了相应的分析。 4 、对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的倍频激光特性进行了实验比较，并从理 论上给出了相应的分析。 5 、对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的热效应进行了实验比较，并通过建立理 论模型从理论上进行了解释，理论分析与实验结果符合的很好。 6 、综合评价了n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的激光特性，得出在主要激光技 术指标上，n d ：y v 0 4 晶体仍然优于n d ：g d y v 0 4 晶体的结论。 i i 关键词：全固态激光器，n d ：y v 0 4 ，n d ：g d y v 0 4 ，脉冲泵浦，腔内倍频 分类号：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 t h ec o m p a r a t i v er e s e a r c ho nt h el a s e rc h a r a c t e r i s t i c so f n d ：y v 0 4a n dn d ：g d y v 0 4 ， a b s t r a c t l a s e r - d i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r ( d p s l ) i sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fl a s e r t e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a ll a s e r , d p s li sm o r ea d v a n t a g e o u so nt h ea s p e c t s o fw e i g h t ，v o l u m e ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fe l e c t r o o p t i c a l 1 i f e s p a na n ds t a b i l i t y c o n t i n u o u sw a v e ，q s w i t c h i n ga n dm o d e l o c k i n go p e r a t i o nh a sb e e na c h i e v e db yd p s l w h i c hh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so fm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，m e d i c a lt r e a t m e n t ， o p t i c a li n s t r u m e n t ，f u n d a m e n t a lr e s e a r c h e sa n ds oo n a n dt h e nd i o d e p u m p e d ( l d ) a 1 1 一s o l i d s t a t el a s e r sh a v ec o m ec e n t e rs t a g ei nt h e f i e l do fl a s e r s n d 5 + d o p e dl a s e rw h i c hp u m p e db yl di sah o tt o p i ci nl a s e rr e s e a r c h f i e l d ，a n dr e s e a r c h e r sn o wf o c u so nf i n d i n gs o m en e wc r y s t a l st oi m p r o v et h ee x i s t e d c r y s t a l sa n de x p l o r en e w l a s e re m i s s i o nw a v e l e n g t h n d ：g d y v 0 4i sb a s e do nn d ：y v 0 4 a n dn d ：g d v 0 4 i ti ss i m i l a rw i t ht h e m ，b u ti th a ss o m eo w nc h a r a c t e r i s t i c s i t s a b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o ni sb i g g e rt h a nn d ：g d v 0 4 ，b u ts m a l l e rt h a nn d ：y v 0 4 i t s a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti sh i | g h e rt h a nn d ：g d v o a ，a b s o r p t i o nf w h mi n8 0 8 5 n mi s w i d e rt h a nn d ：g d v 0 4 t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sh i g h e rt h a nn d ：g d y v 0 4 ，b u ti t s e m i s s i o nc r o s s s e c t i o ni sr e l a t i v e l ys m a l l e ra n di t su p p e rl e v e ll i f e t i m ei sc o m p a r a t i v e l y l o n g e r s oi th a sa d v a n t a g e so np u l s e - p u m p e dl a s e r i no n ew o r d ，i ti si m p o r t a n tt o c o m p a r en d ：g d y v 0 4 w i t h n d ：y v 0 4 ，i tw i l lh e l p u sf i n do u tt h e c r y s t a l s c h a r a c t e r i s t i c sd e e p l ya n dl e a du st of i n ds o m en e wc r y s t a l s t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sac o m p a r a t i v e l yc o m p l e t et h e o r e t i c a le x p l a n a t i o no ft h el a s e r o u t p u ta n dt h ei n f l u e n c eo ft h e r m a le f f e c ta c c o r d i n gt ot h ea c c u r a t ee x p e r i m e n td a t a o b t m n e db ym a k i n gc o m p a r i s o no nt h eb a s i cf r e q u e n c yl a s e ro u t p u t ，t h ep e r f o r m a n c eo f i n t r a - c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l e da n dt h et h e r m a le f f e c to fc r y s t a lb e t w e e nn d ：y v 0 4a n d n d ：g d y v 0 4 t h em a i nc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a tt h eb e g i n n i n g ，i tg i v e su sag e n e r a l i z a t i o no ft h eh i s t o r y , p r e s e n t ss i t u a t i o n 1 1 1 山东师范大学硕士学位论文 a n dt h ep r o s p e c to f a l l - s o l i d s t a t el a s e r s 2 i n t r o d u c et h ef u n c t i o no fs o l i d s t a t el a s e r , t h em a i nc t m r a c t e r i s t i c so fl a s e r c r y s t a l ，t h ed e s i g no fc a v i t ya n ds o0 1 1 b a s e do i lt h ee q u a t i o no fv e l o c i t y , a n a l y s et h e l e v e is t r u c t u r eo f n d ：y v 0 da n dn d ：g d y v 0 4 3 t h ee x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n i sm a d eo nt h eb a s i cf r e q u e n c yl a s e r c h a r a c t e r i s t i c so fn d ：y v 0 4a n dn d ：g d y v 0 4 ，a n dt h er e l e v a n ta n a l y s e si sg i v e n t h e o r e t i c a l l y 4 c o m p a r et h ef r e q u e n c yd o u b l e d c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nn d ：y v 0 4 a n d n d ：g d y v 0 4 ，a n dg i v et h er e l e v a n ta n a l y s e st h e o r e t i c a l l y 5 c o m p a r et h et h e r m a le f f e c tb e t w e e nn d ：y v 0 4a n dn d ：g d y v 0 4 ，a n dt h e e x p l a n a t i o ni sg i v eb yb u i l d i n gat h e o r e t i c a lm o d e l a sar e s u l t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai s c o i n c i d e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s e s 6 e v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn d ：y v 0 4a n dn d ：g d y v 0 4 s y n t h e t i c a l l y g e t t h ec o n c l u s i o nt h a tn d ：y v 0 4i sb e t t e rt h a nn d ：g d y v 0 4i nm a i nl a s e ri n d e x k e yw o r d s ：a 1 1 s o l i d - s t a t el a s e r , n d ：y v 0 4 ，n d ：g d y v 0 4 ，p u l s ep u m p e d ， i n t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l e d c l cn u m b e r ：0 4 3 7 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢疗勺地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位敝储签名煮秦骰 铈签字 学位论文版权使用授权书 棚 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借岗。本 人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位敝作者签名：氆务眨 签字日期：2 0 06 年年月d 日 导师签字： 拗 签字日期：2 0 0年月日 山东师范太学硕士学位论文 第一章导论 激光是近代科学史上最伟大的发明之一。 自从1 9 6 0 年梅曼( t m a i n m a n ) 的第一台红宝石激光器诞生以来1 1 】，固体激光 器以其独有的效率高、体积小、寿命长、运转稳定、维护方便等优点成为激光技 术中最具有发展前途的研究领域之一。但随着气体激光器和液体激光器的发展， 传统的灯泵固体激光器由于存在低效率和热效应等缺点，其研究和应用受到了很 大的限制。直到八十年代初，金属有机汽相沉积( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n 或m o c v d ) 技术的使用及应变量子阱激光器的出现把激光二极管 ( 1 a s e r d i o d e 或l d ) 及其阵y i j ( l a s e rd i o d ea r r a y 或l d a ) 的发展带进了一个崭新的时 代，八十年代中后期，高平均功率、宽调谐和二极管激光器( l d ) 泵浦等技术的 重大突破，带动了固体激光器的蓬勃发展。以此为基础的l d 泵浦全固体激光器 ( d i o d e p u m p e d s o l i d s t a t el a s e r 或d p s l ) 技术也因此得到了极大的发展，它将l d 体 积小、效率高的优点和固体激光器寿命长、光束质量高的优势结合起来，成为一 种结构紧凑、效率高、寿命长、光束质量好的新型激光器件。目前，激光在科学 研究、工农业生产、通讯、国防、医疗卫生和环境保护等领域的应用1 3 益深入， 全固态激光器更是以他独特的优势在激光领域中独领风骚，已成为激光学科的重 点发展方向之一。 第一节全固态激光器的发展过程 通常把以固体材料作为工作物质的激光器称为固体激光器。例如，红宝石激 光器、掺钕离子( n d 3 + ) 的钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器、掺钕离子的玻璃激光 器和掺钛离子( t i 3 + ) 的蓝宝石激光器( 简称钛宝石激光器) 等。作为2 0 世纪重 大科技成就之一的激光是以1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器的发明为标志的。 早期的固体激光器采用闪光灯作为泵浦源，由于闪光灯的发射光谱宽，固体激光 介质的吸收带很窄，因而电一光转换效率很低，仅为1 5 。这一主要因素在一 山东师范大学硕士学位论文 段时间内制约了固体激光器的发展与应用。1 9 6 2 年，第一只同质结砷化镓半导体 激光器格世，一年后美国人纽曼首次提出了用半导体材料的二极管作为固体激光 器的泵浦源的构想1 2 1 。但在早期，由于l d 制作技术不完善，l d 工作稳定性差， 转换效率低，寿命比闪光灯还短，而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到体 现。因此l d 作为固体激光器的泵浦源显得缀不成熟【j ，在近二十年的时问内未 能引起人们的重视，d p s l 技术研究工作停滞不前。进入八十年代后，随着分子束 # 延( m o l e c u l a rb e a me x p i t m x y 或m b e ) 干um o c v d 等现代“非平衡生长技术”被 0 入到m v 族宽带半导体材料的生长中，以及量予阱、应变量子阱结构钓采弼， l d 的各项性能指标得到很大改善，使l d 作为全固体激光器的泵浦源成为可能。 进入9 0 年代，由于l d 的发展及外延生长技术的提高，l d 的发射波长已经覆盖 6 0 0 n m 2 u m ，适于l d 泵浦的激光增益介质也扶最先单一的掺n d ”介质，扩展 到掺有三价稀土离子y b 3 + ，e r 3 + ，t m 3 + ，h 0 3 + 和过渡金属离子c r 等的多种激光晶 体，各种类型的全固体激光器应运而生：l d 泵浦单块腔( m o i l o l t h i c ) 、腔内倍频、 腔内和频、被动主动诵0 、锁模等。激光二极管在各个应用场合总会成为首选， 只要功率足够，波长合适，它就能以其体积小，效率高的优势取得胜利。所有这 些都使得d p s l 的研究工作日趋活跃。下面介绍一下固体激光器的大致发展经历。 4 0 多年来，固体激光器的发展大致经历了以下几个阶段： 第一阶段二十世纪6 0 年代的迅速发展时期 红宝石( 1 9 6 0 年) 、钕玻璃( 1 9 6 1 年) 和n d ：y a g ( 1 9 6 4 年) 激光器【5 】在这期 间相继研制成功。固体激光单元器件和振荡、放大、调q 、锁模和选模等技术和 应用都获得了迅速发展。 第二阶段二十世纪7 0 年代的稻对缓慢发展对期 7 0 年代，气体和染料等激光器发展迅速，相比之下，固体激光器的发展显得 较为缓慢6 ”1 。但这一时期在新的固体激光材料开发、单元技术研究和应用开拓等 方面，仍取得了不少有意义的成果。 第三阶段二十世纪8 0 年代的复苏时期 进入8 0 年代以后，以高功率固体激光嚣、可调谐固体激光器和高效率固体激 光器f8 。9 1 ，特别是以二极管泵浦固体激光器的迅速发展为标志，固体激光器进入了 2 山东师范大学硕士学位论文 被称为“复苏”的新的发展时期。 第四阶段 二十世纪9 0 年代的持续发展时期 在9 0 年代，固体激光器保持了持续发展的势头，并不断开拓重要应用领域。 其中，以高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器及其应用研究的新进展尤为 引入注目。被称为具有“里程碑”意义的事件之一是美国劳仑兹一利弗莫尔国家 实验室于1 9 9 2 年研制成功的千瓦级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器，其体积仅 有葡萄柚般大小 m 1 。另一事件是1 9 9 4 年美国能源部宣布批准实施“国家点火设施” ( n a t j o l l a li g n i t i o nf a c i l i t y ，简写为n i f ) 计划i j ，拟于2 l 世纪初建成的n i f 是一 个集成多种当代先进固体激光技术的巨型高能量( 1 8 m j ) 、高功率( 5 0 0 t w ) 、1 9 2 束的闪光灯泵浦钕玻璃固体激光装胃，将用于热核聚变的点火装置。 目前，l d 的工作范围已经从最初的几个单一波长发展到从可见光到中红外， 但是绿光以下波段的l d 基本上还处于实验室水平。作为泵浦固体的l d 主要工作 波长在红光( a 1 g a l n ，a 1 g a l n p ，6 7 0 6 9 0 n m ) 和近红外( g a a i a s7 9 7 8 1 0 r a n ， i n g a a s9 4 0 - - 9 9 0 r m a ) 。它们分别是处在掺稀土离子的钕( n d 升) 、铥( t m 3 + ) 、钬 ( h 0 3 + ) ，过渡离子铬( c r 3 + ) 和稀土离子铒( e r 3 十) 等激光晶体的主吸收带。用 l d 泵浦这类激光晶体的激光器发射波长在l 2 u m ，经过变频技术，l d 泵浦的全 固态激光器工作波长可覆盖从紫外( 2 6 0 r i m ) 到中红外( 3 9 m ) 。 l d 的发展，也带动了新型固体激光材料和l d 泵浦技术的发展，使得激光二 极管泵浦固体激光器( d i l d el a s e rp u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ，简称d p s l ) 的研究 上了一个新台阶，并迅速渗透到激光技术的各个领域，在d p s l 锁模运转、单频 运转以及频率变换等方面都取得了长足进步，达到了实用化水平。 第二节全固态激光器的主要特性 l d 泵浦的固体激光器集二极管激光器和固体激光器的优点于一身，并且弥补 了各自的不足，使得l d 泵浦的全固态激光器极大地优于传统灯泵固体激光器和二 极管激光器本身。 山东师范大学硕士学位论文 一、与闪光灯泵浦的固体激光器相比较 与闪光灯泵浦的固体激光器相比较，l d 泵浦全固态激光器的优点在于兼备了 l d 和固体激光器两者的优点，并且互相弥补了对方的某些缺点，使激光器的各项 性能指标以及在实现产业化方面都取得了极大的进步。概括起来有以下几点： 1 效率高总体转换效率有很大提高，可以达到1 5 以上，这比传统灯泵浦 固体激光器的总体效率提高了5 1 0 倍。传统的灯泵固体激光器，由于灯的辐射 光谱很宽，不能与激光工作物质的吸收带很好地匹配，致使闪光灯的大部分能量 以热的形式耗散掉，故转换效率很低；而全固态激光器的泵源l d 可通过改变掺杂 组分及控制温度等手段使输出波长与介质吸收谱完全匹配，热耗小，整体效率和 光- 光转换效率都很高。 2 稳定性好由于冷却水湍流和灯泵浦中等离子体波动造成噪声的存在，灯 泵固体激光器的稳定性很差，输出频率线宽最窄不会优于1 0 0 k h z i 挖】。而l d 泵浦 和单个谐振腔的结合( 一般端泵不需水冷) 大大提高了固体激光器的稳定性，同 时也能获得更窄的线宽。例如单块非平面环行腔的线宽可以做到3 k h z 1 ，单块谐 振腔结构可使线宽窄至1 h z h 】。 3 光束质量高激光晶体热负载的减小可以提高光束质量。目前一台千瓦级 灯泵的固体激光器，它的光束发散角是衍射极限的4 0 6 0 倍。而同等功率的l d 泵清固体激光器的光束发散角仅为衍射极限的二倍。在纵向泵浦时，可以产生近 于衍射极限的激光输出。 4 结构紧凑、小型化l d 比灯泵的辐射发散度要小得多，因此很容易耦合到 腔内。现在很多l d 已采用了集成化技术，从根本上简化了传统激光器的结构，使 庞大的体积明显缩小，可靠性和实用性也得到了保证。 5 可靠性高、寿命长目前l d 的寿命可达上万小时。而灯泵浦固体激光器的 寿命通常只有4 0 0 多小时。因此，选用l d 泵浦的全固态激光器无论以连续还是脉 冲方式工作，其寿命都可延长一个数量级以上。 二、与二极管激光器比较 另外，与l d 相比，l d 泵浦全固态激光器的优点，从一定程度上弥补了l d 的不足，例如： 山东师范大学硕士学位论文 1 辐射线宽窄，易实现单频运转d p s l 的线宽通常小于0 0 1 n m 。而l d 的线 宽通常为o 0 2 n m 2 n m 。 2 光束质量好d p s l 输出光束近于理想的t e m o o 模，质量因子m 2 接近衍射 极限值1 。发散角小，具有高的空间相干性。 3 峰值功率高由于固体激光介质的上能级寿命长，发射谱宽，能量储存能力 远比l d 高，易于实现粒子数反转，光增益大，而且通过调q 状态可产生高峰值 功率的脉冲输出。 4 宽的波长覆盖范围d p s l 可以借助非线性光学和频率变换技术，制成多种 新波长器件和特种器件。从紫外可见光中红外的波长范围内，都可建立高效、 小型、单色或连续可调谐相干辐射光源。l d 泵浦固体激光器通过采用不同的激光 晶体以及频率变换技术，可以得到多种新的振荡波长，波长覆盖比l d 宽，而且可 以利用多个l d 泵浦，获得比单个l d 大许多的输出功率；同时l d 泵浦固体激光 器还可以获得如：双波长、可调谐等器件。而l d 的频率不易调节，限制了它的应 用范围。 所有这些优点都表明，l d 泵浦的全固态激光器不仅能够完成传统激光器的各 种功能，而且在光束质量、稳定性、可靠性等方面实现了较大的改善。可以说是 激光器的一场革命。随着l d 泵浦全固态激光器在结构和性能上的不断优化，传统 的激光器市场必将被l d 泵浦的全固态激光器所取代。 三、l d 泵浦的激光晶体 固体激光工作物质是将激活离子掺入基质材料( 晶体、玻璃) 而构成的。激 活离子是发光中心，工作物质的物理、化学和机械性能主要取决于基质材料，光 谱特性则由激活离子的能级结构决定。因此，对固体激光工作物质的一般要求可 以概括为以下几点： 1 ) 在激光工作频率范围应透明，当光激励产生色心时，不会引起吸收的显著 增加。 2 ) 掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。 3 ) 能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命长。 4 ) 较高的光学质量和荧光量子效率。 山东师范大学硕士学位论文 5 ) 良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系数小，破坏强度高， 易于光学加工。 6 ) 容易生长出大尺寸的材料。制各工艺简单，成本低廉。 自第一次用红宝石( c 一：a 1 2 0 3 ) 实现激光输出以来，以三价稀土元素( n d ”、 e r 3 + 、h 0 3 + 、t m 3 + 、y b 3 + ) 、二价稀土元素( s m ”、d y z + 、t m 2 + ) 、过渡金属( c ，、 t i 3 + 、n i 2 + 、c 0 2 + ) 和锕系离子u 3 + 为激活离子掺入各种基质材料都实现了激光作用。 已经证实有2 0 0 余种的激光离子基质晶体具有光泵浦激光作用，适合于l d 泵浦 的晶体也不下几十种。按其掺杂的激活离子类型来分，这些增益介质大致分为掺 杂稀土离子的晶体和掺杂过渡金属离子的晶体两大类。 1 、稀土离子掺杂的激光晶体 这类激光晶体中，以掺杂n d 3 + 离子的晶体数量最多，其次是掺杂y b ”离子， 还有其它的如h o 、t m 3 + 等也是重要的激活离子。 1 , 1n d ”离子掺杂的激光晶体 目前应用较广的有：n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 、n d ：g d y v 0 4 、n d ：y l f 、 n d ：y a p 和n d ：g g g 等晶体。表l 一1 列出了几种常用晶体的主要激光特性参数。 表1 1几种常用激光晶体的激光参数 t t h e r l t l a j c r y s t a l k ( n m )九t a d ( n m )m n m ) p o l a r i z a t i o nc o n d u c t i v i t y ( p s ) ( 1 0 1 9 c m 2 1 ( w e m 。1k 、 9 4 6 n m ：1 3 49 4 6 n d ：y a g 2 3 01 0 6 4 n m ：4 88 0 7 51 0 6 4o 6 ( a t l 蚴 1 3 1 9 n m ：1 51 3 1 9 9 4 6 n m ：l ，79 4 6 n d ：y v o d 9 8 1 0 6 4 n m ：2 58 0 8 7 1 0 6 4 o 8co 0 5 ( a t l 、 1 3 4 2 n m ：61 3 4 2 1 8 ( )7 9 8 ( n )1 0 4 7 ( n ) n d ：y l f5 2 01 4 f f c 1 2 ( a ) 8 0 6 ( 1 0 5 3 ( 3 7 ( a )1 0 7 9 5 ( a ) ( a ) 9 9 n d ：y a p 1 7 0 8 0 21 0 1 7 ( b ) 1 0 6 4 k b )( b ) 4 0 n d ：g l a s s 3 0 0 3 18 0 11 0 6 22 6 n d ：g d v 0 4 1 0 07 68 0 8 51 0 6 3 i 0l i e0 1 1 7 n d ：g d y v 0 4 1 1 0 2 0 8 0 8 5 1 0 6 4 i oc0 1 2 5 山东师范大学硕士学位论文 掺钕钇铝石榴石晶体( n d ：y a g ) 是研究最成熟的激光材料，目前广泛应用于闪 光灯泵浦和l d 泵浦的y a g 激光器。它的优点是，y a g 基质很硬，光学质量好， 而且热导率高。此外，y a g 的立方结构有利于形成窄的荧光线宽，使激光器高增 益和低闽值工作。由于n d ：y a g 晶体所具有的优良特性，当用于l d 泵浦时，既可 用小型化、低功率器件，也可作高功率输出；既适合连续运转，也适用于脉冲工 作：既可输出多纵模、宽谱线，也适用于产生单纵模、窄线宽；是适合l d 泵浦的 理想固体材料之一。 掺钕的钒酸钇( n d ：y v 0 4 ) 晶体已经是一种非常成熟的激光材料，具有低阈值、 高效率的优点。n d ：y v 0 4 是四方晶体，锆英石( z r s i 0 4 ) 型结构，属单轴晶系。 钒酸钇基质对钕离子具有敏化作用，提高了激活离子的吸收能力，晶体生长过程 中用钕离子( n d 3 + ) 取代部分钇离子的位置，n d 3 + 的位置具有低的点群对称性，离 子振荡强度大。n d ：y v 0 4 在1 0 6 4p m 有较大的受激发射截面，是n d ：y a g 的四倍； 在8 0 9 r i m 附近的吸收带宽约2 0 r i m ，是n d ：y a g 的五倍多；加之吸收峰值高，所以 特别适合于l d 泵浦。而且，n d ：y v 0 4 具有很强的双折射特性( 九= 1 0 6 4 p m 时， n o = 1 9 5 8 ，h e = 2 1 6 8 ) ，易产生偏振光输出，可避免泵浦n d ：y a g 出现的热双折射现 象。n d ：y v 0 4 晶体的缺点是导热性能较差，这从表1 1 中导热系数一栏就能够明 显的看出来。但是对于l d 泵浦的中小功率连续波激光器，特别是微片激光器， n d ：y v o 。晶体仍然是理想的增益介质。 n d ：g d v 0 4 是一种和n d ：y v 0 4 同结构的基质晶体材料，具有和n d ：y v 0 4 基本 相似的激光性能。与n d ：y v 0 4 晶体相比较，它的吸收系数、吸收带宽和发射带宽 较大，发射截面相对较小，但热导率较大，可以很好的实现散热，适合于大功率 l d 泵浦的固体激光器件。 n d ：g d y v 0 4 晶体是一种在n d ：w 0 4 ，n d ：g d v 0 4 的基础上，由y ( g d ) 部分地 代替n d ：g d v 0 4 ( n d ：y v 0 4 ) 中的g d ( y ) 形成的晶体，它具有和n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 相同的晶体结构，但也有着自身的一些特点。从表1 1 中，可以看出n d ：g d y v o 。 晶体的吸收截面比n d ：g d v 0 4 略大，但不及n d ：y v 0 4 晶体。它的吸收系数比 n d ：g d v 0 4 要高，在吸收峰8 0 8 5 n m 处的半高宽比n d ：g d v 0 4 宽，荧光发射峰都在 1 0 6 4 n m 附近，n d ：g d y v 0 4 在1 0 6 4 n m 附近的荧光半高宽比n d ：g d v 0 4 宽一倍，所 以n d ：y v 0 4 更有利于l d 泵浦。但是n d ：g d y v 0 4 的导热系数要比n d ：y v 0 4 大， 山东师范大学硕士学位论文 具有相对较小的发射截面和相对较大的上能级寿命，所以它在脉冲激光方面显示 出比n d ：y v 0 4 更好的效果。 掺钕的正铝酸钇( n d ：y a p ) 属斜方晶系，具有各向异性的光谱特征，荧光带 比n d ：y a g 稍宽，在1 3 4 “m 的受激发射截面较n d ：y a g 的大。缺点是难以生长出 高质量的晶体，另外由于热透镜效应很严重，限制了它的推广和应用。 n d ：s v a p 和n d ：s f a p 是前几年报道的新型激光晶体限1 拼。两者属六方晶系， 单轴晶，具有偏振光谱各向异性，受激发射截面和荧光寿命都比较大，泵浦阈值 较低，对连续泵浦和调q 运转都很合适。缺点是热导率低，易出现多畴和开裂， 机械性能差，一般用于小功率器件。 1 2 掺y b 3 + 的激光晶体 y b 3 + 外层仅缺少一个4 f 电子，因此表现出与n d 3 + 不同的特性：粒子数反转和 激发态的吸收对激光特性无影响。y b 3 + 掺杂的介质通常具有比n d 3 + 掺杂的同样介 质多4 倍以上的上能级寿命，受激发刳截面较大，物化性质稳定，可高掺杂而无 荧光淬灭。吸收波长9 4 0 n m ，适合i n g a a s l d 泵浦，激光输出波长为1 0 5 p m ，所 以在吸收和辐射光子能量间的量子亏损非常低，没有上转换造成的损耗，斜效率 可超过7 0 【1 7 - 2 0 1 ，脉冲钛宝石激光泵漓y b ：k y w 和y b ：k g w 两种晶体时，斜效 率分别达到了8 6 9 和8 2 7 1 2 1 i ：掺y b 3 + 介质也是获得大功率激光的重要材料， s u m i d a l 2 2 】等用4 7 5 0 w 的l d 侧泵y b ：y a g 产生9 5 3 w 激光输出：最近，c b i b e a u 2 3 】 等在用1 7 3 3 w 的l d 端面泵浦y b ：y a g 时，得到了4 3 4 w 连续激光输出，调q 倍 频后得到7 6 w 的5 1 5 n m 绿光输出。 2 、过渡金属离子为激活离子的激光晶体 掺t i 3 + 、c ，等过渡金属离子的激光晶体作为可调谐激光晶体，近几年有大量 报道。表1 2 列出了几种这类晶体及调谐范围。 山东师范大学硕士学位论文 表卜2 掺过渡金属离子的激光晶体 晶体 调谐范围( r i m ) c e ：l i c a f 2 7 0 3 l o t i ：a 1 2 0 3 6 6 0 1 2 0 0 c r ：l i s a f7 6 0 9 8 0 c r ：l j c a f7 2 0 8 5 0 c r ：b e a l 2 0 3 7 0 1 8 5 8 近年来，l d 泵浦的全固态可调谐激光器是一个重要的发展方向。目前主要有 两类：一类是l d 泵浦n d 3 十激光器倍频产生绿光，再泵浦钛宝石激光器，产生红 光和近红外可调谐激光；另一类是用红光或红光波段的l d 直接泵浦掺c r 3 + 的固体 介质或色心晶体，产生可调谐激光。由于c r ：l i s a f 晶体荧光寿命长达6 7 j a s ，是钛 宝石的2 0 倍，在可见波段的吸收比钛宝石宽，并可用红光l d 直接泵浦，是目前 研究最热门的全固态可调谐激光晶体之一。 第三节全固态激光器的研究热点及本论文的主要内容 高效大功率l d 的出现以及新型激光晶体和频率变换技术的成熟，大大激发了 人们研究开发全固态激光器的热情。总结近些年来全固态激光器的发展和研究现 状，d p s l 器件的研究热点和发展方向主要有以下几点： 一、全固态可见光激光器。全固态绿光激光器的研究已经从实验室走向市场 化，从m w 量级到百w 级的全固态绿光激光器都有产品面世。蓝光除n d ：y a g 的 9 4 6 n m 谱线倍频外2 0 - 2 3 j ，还有近红外l d 直接倍频衅、投，t i ：s a p p h i r e 2 6 1 , c r ：l i s a f 忙可 等近红外输出的倍频以及通过参量【2 8 】、和频2 明等方法的过程获得。前些年全固态 红光的研究比较少，但是近几年彩色印刷、显示等巨大的潜在市场，红光的实用 价值也越来越受到关注。 二、中红外激光器。掺钬、铥、铒等稀土离子泵浦的中红外参量激光器近几 年研究较多【3 0 。3 2 】，主要是基于2 m 附近激光在大气遥感、医疗等方面的应用价值， 是当前全固态激光研究领域的重要方向之一。 山东师范大学硕士学位论文 三、单频激光器。单频激光器是高精度光谱和原子物理研究中不可缺少的光 源，也是相干光学测量如光雷达及光通信等应用的核心器件。获得单频的技术方 法比较多，如环形腔、微片腔、短程吸收和腔内加波片或标准具等。 另外，非线性晶体材料及周期性和准周期性畴反转l i n b 0 3 、l i t a 0 3 、k t p 、 m g o ：l n 等材料应用于全固态激光器，通过倍频、和频以及参量等变频过程，在 频域上扩展了d p s l 的波长范围。饱和吸收器，尤其是半导体饱和吸收器和 c r 4 + ：y a g 、v 3 + ：y a g 应用于全固态激光器，在时域上扩展了d p s l 的脉冲范围。 还有二极管泵浦的光纤激光器由于在光通讯方面的应用前景，也是研究比较多的 一个方向。 在本论文中，主要做了以下的工作： 1 、在第一章里综述了全固态激光器的历史、现状、发展前景以及全固态激光 器的研究现状。 2 、在第二章对全固态激光器的工作原理，激光晶体主要激光特性的表征，以 及谐振腔设计等内容进行了介绍。着重从速率方程出发，对n d ：y v 0 4 和 n d ：g d y v 0 4 晶体的能级结构给出了较为完整的分析。 3 、在第三章里对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的基频激光特性进行了实验比 较，并从理论上给出了相应的分析。 4 、在第四章里对n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的倍频激光特性进行了实验比 较，并从理论上给出了相应的分析。 5 、在第五章里对n d ：y v o 。和n d ：g d y v 0 4 晶体的热效应进行了实验比较，并 通过建立理论模型从理论上进行了解释，理论分析与实验结果符合的很好。 1 0 山东师范大学硕士学位论文 第二章l d 泵浦的理论基础 l d 泵浦全固态激光器主要有下列几部分构成：泵浦源( l d ) 、工作物质( 激 光晶体) 、谐振腔设计以及为了增加正反馈而镀制的光学膜。作为泵浦源的半导体 激光器为整个系统提供能量；工作物质从泵浦源吸取能量，通过能级跃迁将光斑 质量低的泵浦光转化为亮度极高，光斑质量非常好的激光输出；谐振腔与光学薄 膜实现正反馈的作用，保证激光器的正常运转。下面我们从激光晶体的激光特性 及能级分析出发，介绍l d 泵浦全固态激光器的理论基础。 第一节晶体激光特性及能级分析 一、n d ：y v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体物理和光学特性比较 表2 一l 给出了n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 和n d ：g d y v 0 4 晶体的激光特性参数比较 从发射和吸收参数以及荧光寿命和热导率方面进行了比较。 表2 1n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v o a 和n d ：g d y v 0 4 激光特性参数比较 参数 n d ：y v o t n d ：g d v 0 4 n d ：g d y v 0 a 发射波长